Clase 5 6
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- Words: 1,546
- Pages: 39
Clase 5-6 EES. Luis A Ramírez P 17.811.609 Nº 29
Propiedades de los Semiconductores Propiedades Ópticas Cuando 2 masas interactúan entre si, pueden generar luz, es decir generan fonones. En las siguientes graficas se observan, los espectros de fonones medidos en Ge, Si GaAs.
por ejemplo en la primera grafica observamos que se generan fonones trasversales y longitudinales a nivel óptico, y en las demás graficas también se observan generación de fonones, pero son diferentes, porque se trata de estructuras diferente. Para observar las transiciones ópticas observemos el siguiente grafico:
Transiciones ópticas: a-y b-Transición
Esta grafica es irregular, porque muestra direcciones diferentes, los procesos de transición son de la B.v a la B.c en esta grafica se está absorbiendo energía, es decir se absorben fonones. La Efonon =H.M donde M es la frecuencia.
Propiedades Térmicas En la siguiente grafica vemos que la energía del fonon juega un papel importante, ya que la absorción de energía, no depende solo del material, también depende del fonon. de absorción Coeficientes medidos cerca y por encima del borde de absorción fundamental para Ge, Si y GaAs puros
veamos las siguientes ecuaciones: De esta ecuación podemos inferir que la densidad de corriente depende del campo eléctrico, pero también depende de la temperatura, y esta T rompe los enlaces. y de la ec anterior podemos decir que el coeficiente de absorción depende de la estructura, pero también depende de la temperatura.
La siguiente grafica representa la Conductividad térmica en función de la temperatura medida para Ge, Si, GaAs, Cu, Diamante tipo II y SiO2.
observamos que al aumentar la T, mejora la conductividad térmica, a T ambiente, la conductividad en los semiconductores no es muy alta.
Campos de Alta intensidad
En algunas de estas expresiones, podemos ver que la velocidad de arrastre depende directamente del campo E aplicado, y a medida que aumentamos el campo, aumenta la velocidad.
Ecuaciones básicas de operación de los componentes semiconductores. ecuaciones de Maxwell para un medio isótropo homogéneo Las ecuaciones de Maxwell en medios isótropos, quiere decir q la matriz del producto vectorial, se ha podido diagonal izar, y por tanto es equivalente a una función:
Las Ec de Maxwell serian las siguientes:
de las ecuaciones se dice: el rotacional de E aparece cuando flujos de campo magnético varían en el tiempo, un material dieléctrico, intensifica el campo eléctrico, el campo magnético también lo intensifica el material.
Ecuaciones de densidad de corriente La densidad de corriente, es una magnitud vectorial que tiene unidades de corriente eléctrica por unidad de superficie.
hay 2 tipos de corriente en semiconductores, I arrastre si se aplica un campo eléctrico, e I difusión porque se ejerce mediante un gradiente.
Ecuaciones de continuidad Estas ecuaciones expresan la ley de la conservación de la magnitud, se puede expresar de forma integral o diferencial. Estas ecuaciones vienen derivadas de las ecuaciones de Maxwell.
Dispositivos Semiconductores Bipolares. La unión pn Técnicas de fabricación
Existen varios métodos de fabricación: Unión de aleación: Es un proceso mediante el cual se parte de un material semiconductor sobre el que se coloca un material dopante y se calienta el conjunto hasta que reaccionan los dos materiales. Ejemplo.
se coloca una porción de Al sobre una
Unión tipo mesa difundida:
Unión de plana difundida sobre sustrato epitaxial consiste en hacer crecer un material semiconductor en estado de cristal sobre otro material semiconductor que, a su vez, se halla también en estado de cristal
4) Implantación Iónica:
Es una técnica de modificación superficial que consiste en la introducción de átomos de un elemento escogido, dentro de las primeras capas superficiales de un material
Región de vaciamiento y capacitancía de la unión De la figura, se puede decir que existe una unión abrupta, y hay discontinuidad cuando se unen N-P.
para calcular la región de vaciamiento y la capacitancia de unión utilizamos las siguientes ecuaciones:
De la siguiente figura podemos ver que el material esta altamente dopado, porque el nivel de Fermi esta desplazado 10 exp. 20 y lo normal seria 10 exp. 15, y esto sucede solo en semiconductores degenerados.
Unión lineal Veamos los siguientes gráficos: a) Las cargas varias gradualmente en forma lineal.eléctrico esta b) El campo distribuido uniformemente en ambos lados. c) Se tiene una barrera de potencial y hay que romperla. d) El nivel de energía esta en equilibrio porque el nivel de Fermi es constante.
Esta es la ecuación de Poisson e indica que en W no hay portadores libres.
en la siguiente grafica vemos el gradiente de impurezas, hay un alto dopado y hay una generación de campo intenso.
El siguiente grafico es el resultado de la anchura de W, si incrementamos las impurezas disminuye la anchura de W.
Curva característica. corriente tensión.
lo anterior es la condición de la curva I-V ideal y la relación de Boltzmann en equilibrio térmico. con las siguientes expresiones calculamos pseudónimos de Fermi para los electrones y los huecos respectivamente.
asumimos baja inyección.
luego simplificamos la ecuación analizando la región neutral, y obtenemos:
para calcular la densidad de corriente usamos la ecuación de Shockley:
En las siguientes figuras se ven las curvas características para las 2 polarizaciones de una unión.
Podemos ver en la figura a los seudo potenciales en la región p y n. y también podemos ver que el nivel de los mayoritarios (Pp) en a es mas alto. Y el nivel de los minoritarios esta en equilibrio. En b cambian de sentido las graficas por ser polarización inversa.
La siguiente grafica es la curva característica ideal corriente tensión.
vemos que con polarizacion directa la I se incrementa exponencialmente. Y la siguiente grafica es la representación semilogaritmica de la 1era. y
Proceso de generación y Recombinación
en estas expresiones se muestra la generación que es cuando los e- pasan de Bv a Bc esto ocurre en W, y también aparece la recombinación que es cuando el portador esta libremente en la estructura y pasa y llena un hueco. Pasa de Bc a Bv.
La siguiente grafica es la curva característica de un diodo de Si practico. Vemos que la tensión inversa llega a saturación, pero no directamente sino que hay un leve incremento. Y en directo si vemos que se incrementa la corriente con la tensión.
Condición de alta inyección en la figura a se observa la polarizacion directa, y en la b se muestra que si incrementamos la corriente, se observa un cambio.
Capacitancia de difusión la capacidad de difusión es de baja frecuencia, y depende del material, pero con la tensión es posible variar esta capacidad.
en la siguiente grafica se ve la conductancia y capacidad de difusión normada en función de WT
se observa que la capacitancia de difusión decrece al incrementar la frecuencia, para altas frecuencias Cd es aproximadamente W ^-1/2. este tipo de uniones no responde a altas frecuencias porque pone en corto las uniones.
Ruptura de la unión. Efecto Túnel En esta grafica observamos que hay una mayor resistencia para mayor resistencia.
Multiplicación por avalancha
Tensión de avalancha de ruptura en función de la concentración de impurezas para una unión abrupta unilateral de Ge, Si, GaAs y GaP con orientación (100). la línea ínter cortada indica el dopado máximo mas allá de la cual el mecanismo túnel domina la respuesta característica de la ruptura de tensión. El mecanismo tune domina si se cumple el criterio (6.eg)/q.
La siguiente figura, representa la dependencia que muestra la orientación de la tensión de ruptura de avalancha en una unión abrupta unilateral de la unión GaAs. se compara Vb en la orientación <111> y <110> con respecto a <100>. Para Nb = la tensión de ruptura es independiente de la orientación. La
La siguiente representa la función de tensión de ruptura por avalancha en función del gradiente de impurezas para uniones ordenadas linealmente. vemos la tensión de ruptura para diferentes materiales, si se incrementa la tensión, la ruptura se genera en un nivel mas bajo.
En la grafica se puede observar que la capa se incrementa porque esta en inverso, hay un incremento del campo al lado derecho. Si el material esta altamente dopado, la anchura de W es muy pequeña en directo.
En la siguiente grafica vemos que si aumenta el gradiente disminuye W, y el campo se intensifica. En la siguiente figura, podemos observar el comportamiento de W ante la concentración de impurezas.
En la siguiente figura, vemos la tensión de ruptura con respecto a la temperatura, y esta tensión se incrementa si la temperatura se incrementa. En la siguiente figura, podemos ver la dependencia de la temperatura con la curva característica inversa I-V de un diodo de Si.
curva se la tensión y la temperatura.
y podemos observar que esta incrementa con
Semiconductores Bipolares. Respuesta transitoria y Ruido. De las figuras podemos decir que en la figura a, aparece la corriente de polarización directa If que es el flujo en la unión, para t=0 se conmuta S a la derecha, y fluye una corriente inicial inversa. De la figura C se dice que inicialmente se mantiene, y cae lentamente porque
se puede decir que el promedio cuadrado de la corriente de ruido es proporcional a la corriente de saturación. Se puede hablar también de ruido Iónico, que es generado por el movimiento aleatorio de la corriente de portadores, el ruido
Propiedades de los Semiconductores Propiedades Ópticas Cuando 2 masas interactúan entre si, pueden generar luz, es decir generan fonones. En las siguientes graficas se observan, los espectros de fonones medidos en Ge, Si GaAs.
por ejemplo en la primera grafica observamos que se generan fonones trasversales y longitudinales a nivel óptico, y en las demás graficas también se observan generación de fonones, pero son diferentes, porque se trata de estructuras diferente. Para observar las transiciones ópticas observemos el siguiente grafico:
Transiciones ópticas: a-y b-Transición
Esta grafica es irregular, porque muestra direcciones diferentes, los procesos de transición son de la B.v a la B.c en esta grafica se está absorbiendo energía, es decir se absorben fonones. La Efonon =H.M donde M es la frecuencia.
Propiedades Térmicas En la siguiente grafica vemos que la energía del fonon juega un papel importante, ya que la absorción de energía, no depende solo del material, también depende del fonon. de absorción Coeficientes medidos cerca y por encima del borde de absorción fundamental para Ge, Si y GaAs puros
veamos las siguientes ecuaciones: De esta ecuación podemos inferir que la densidad de corriente depende del campo eléctrico, pero también depende de la temperatura, y esta T rompe los enlaces. y de la ec anterior podemos decir que el coeficiente de absorción depende de la estructura, pero también depende de la temperatura.
La siguiente grafica representa la Conductividad térmica en función de la temperatura medida para Ge, Si, GaAs, Cu, Diamante tipo II y SiO2.
observamos que al aumentar la T, mejora la conductividad térmica, a T ambiente, la conductividad en los semiconductores no es muy alta.
Campos de Alta intensidad
En algunas de estas expresiones, podemos ver que la velocidad de arrastre depende directamente del campo E aplicado, y a medida que aumentamos el campo, aumenta la velocidad.
Ecuaciones básicas de operación de los componentes semiconductores. ecuaciones de Maxwell para un medio isótropo homogéneo Las ecuaciones de Maxwell en medios isótropos, quiere decir q la matriz del producto vectorial, se ha podido diagonal izar, y por tanto es equivalente a una función:
Las Ec de Maxwell serian las siguientes:
de las ecuaciones se dice: el rotacional de E aparece cuando flujos de campo magnético varían en el tiempo, un material dieléctrico, intensifica el campo eléctrico, el campo magnético también lo intensifica el material.
Ecuaciones de densidad de corriente La densidad de corriente, es una magnitud vectorial que tiene unidades de corriente eléctrica por unidad de superficie.
hay 2 tipos de corriente en semiconductores, I arrastre si se aplica un campo eléctrico, e I difusión porque se ejerce mediante un gradiente.
Ecuaciones de continuidad Estas ecuaciones expresan la ley de la conservación de la magnitud, se puede expresar de forma integral o diferencial. Estas ecuaciones vienen derivadas de las ecuaciones de Maxwell.
Dispositivos Semiconductores Bipolares. La unión pn Técnicas de fabricación
Existen varios métodos de fabricación: Unión de aleación: Es un proceso mediante el cual se parte de un material semiconductor sobre el que se coloca un material dopante y se calienta el conjunto hasta que reaccionan los dos materiales. Ejemplo.
se coloca una porción de Al sobre una
Unión tipo mesa difundida:
Unión de plana difundida sobre sustrato epitaxial consiste en hacer crecer un material semiconductor en estado de cristal sobre otro material semiconductor que, a su vez, se halla también en estado de cristal
4) Implantación Iónica:
Es una técnica de modificación superficial que consiste en la introducción de átomos de un elemento escogido, dentro de las primeras capas superficiales de un material
Región de vaciamiento y capacitancía de la unión De la figura, se puede decir que existe una unión abrupta, y hay discontinuidad cuando se unen N-P.
para calcular la región de vaciamiento y la capacitancia de unión utilizamos las siguientes ecuaciones:
De la siguiente figura podemos ver que el material esta altamente dopado, porque el nivel de Fermi esta desplazado 10 exp. 20 y lo normal seria 10 exp. 15, y esto sucede solo en semiconductores degenerados.
Unión lineal Veamos los siguientes gráficos: a) Las cargas varias gradualmente en forma lineal.eléctrico esta b) El campo distribuido uniformemente en ambos lados. c) Se tiene una barrera de potencial y hay que romperla. d) El nivel de energía esta en equilibrio porque el nivel de Fermi es constante.
Esta es la ecuación de Poisson e indica que en W no hay portadores libres.
en la siguiente grafica vemos el gradiente de impurezas, hay un alto dopado y hay una generación de campo intenso.
El siguiente grafico es el resultado de la anchura de W, si incrementamos las impurezas disminuye la anchura de W.
Curva característica. corriente tensión.
lo anterior es la condición de la curva I-V ideal y la relación de Boltzmann en equilibrio térmico. con las siguientes expresiones calculamos pseudónimos de Fermi para los electrones y los huecos respectivamente.
asumimos baja inyección.
luego simplificamos la ecuación analizando la región neutral, y obtenemos:
para calcular la densidad de corriente usamos la ecuación de Shockley:
En las siguientes figuras se ven las curvas características para las 2 polarizaciones de una unión.
Podemos ver en la figura a los seudo potenciales en la región p y n. y también podemos ver que el nivel de los mayoritarios (Pp) en a es mas alto. Y el nivel de los minoritarios esta en equilibrio. En b cambian de sentido las graficas por ser polarización inversa.
La siguiente grafica es la curva característica ideal corriente tensión.
vemos que con polarizacion directa la I se incrementa exponencialmente. Y la siguiente grafica es la representación semilogaritmica de la 1era. y
Proceso de generación y Recombinación
en estas expresiones se muestra la generación que es cuando los e- pasan de Bv a Bc esto ocurre en W, y también aparece la recombinación que es cuando el portador esta libremente en la estructura y pasa y llena un hueco. Pasa de Bc a Bv.
La siguiente grafica es la curva característica de un diodo de Si practico. Vemos que la tensión inversa llega a saturación, pero no directamente sino que hay un leve incremento. Y en directo si vemos que se incrementa la corriente con la tensión.
Condición de alta inyección en la figura a se observa la polarizacion directa, y en la b se muestra que si incrementamos la corriente, se observa un cambio.
Capacitancia de difusión la capacidad de difusión es de baja frecuencia, y depende del material, pero con la tensión es posible variar esta capacidad.
en la siguiente grafica se ve la conductancia y capacidad de difusión normada en función de WT
se observa que la capacitancia de difusión decrece al incrementar la frecuencia, para altas frecuencias Cd es aproximadamente W ^-1/2. este tipo de uniones no responde a altas frecuencias porque pone en corto las uniones.
Ruptura de la unión. Efecto Túnel En esta grafica observamos que hay una mayor resistencia para mayor resistencia.
Multiplicación por avalancha
Tensión de avalancha de ruptura en función de la concentración de impurezas para una unión abrupta unilateral de Ge, Si, GaAs y GaP con orientación (100). la línea ínter cortada indica el dopado máximo mas allá de la cual el mecanismo túnel domina la respuesta característica de la ruptura de tensión. El mecanismo tune domina si se cumple el criterio (6.eg)/q.
La siguiente figura, representa la dependencia que muestra la orientación de la tensión de ruptura de avalancha en una unión abrupta unilateral de la unión GaAs. se compara Vb en la orientación <111> y <110> con respecto a <100>. Para Nb = la tensión de ruptura es independiente de la orientación. La
La siguiente representa la función de tensión de ruptura por avalancha en función del gradiente de impurezas para uniones ordenadas linealmente. vemos la tensión de ruptura para diferentes materiales, si se incrementa la tensión, la ruptura se genera en un nivel mas bajo.
En la grafica se puede observar que la capa se incrementa porque esta en inverso, hay un incremento del campo al lado derecho. Si el material esta altamente dopado, la anchura de W es muy pequeña en directo.
En la siguiente grafica vemos que si aumenta el gradiente disminuye W, y el campo se intensifica. En la siguiente figura, podemos observar el comportamiento de W ante la concentración de impurezas.
En la siguiente figura, vemos la tensión de ruptura con respecto a la temperatura, y esta tensión se incrementa si la temperatura se incrementa. En la siguiente figura, podemos ver la dependencia de la temperatura con la curva característica inversa I-V de un diodo de Si.
curva se la tensión y la temperatura.
y podemos observar que esta incrementa con
Semiconductores Bipolares. Respuesta transitoria y Ruido. De las figuras podemos decir que en la figura a, aparece la corriente de polarización directa If que es el flujo en la unión, para t=0 se conmuta S a la derecha, y fluye una corriente inicial inversa. De la figura C se dice que inicialmente se mantiene, y cae lentamente porque
se puede decir que el promedio cuadrado de la corriente de ruido es proporcional a la corriente de saturación. Se puede hablar también de ruido Iónico, que es generado por el movimiento aleatorio de la corriente de portadores, el ruido
